东江咸潮上溯特征及盐度输运机理浅析.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.基金项目:广东省自然科学基金项目()作者简介:陈晖()男工程师硕士主要从事水力学及河流动力学研究:.通信作者:黄广灵()男教授级高级工程师硕士主要从事水力学及河流动力学研究:.:/东江咸潮上溯特征及盐度输运机理浅析陈 晖黄广灵谭 超刘 达黄本胜邱 静(.广东省水利水电科学研究院广东 广州 .广东省水动力学应用研究重点实验室广东 广州.河口水利技术国家地方联合工程实验室广东 广州 .广东省水安全科技协同创新中心广东 广州)摘要:针对东江咸潮入侵问题基于三维数值模拟成果分析了东江南支流咸潮上溯特征及盐度输运机理 结果表明:东江咸潮上溯与潮位相位变化基本一致在一个大、中、小潮周期内盐度最大值出现在大潮期间东江南支流总体处于盐度充分混合至部分混合状态盐度垂向分布均匀东江咸潮上溯主要是径流和潮流动力强弱对抗的结果基本不存在垂向环流的输运增大下泄径流量是减轻东江咸潮入侵的最有效措施关键词:咸潮上溯输运机理盐度数值模拟东江南支流中图分类号:.文献标志码:文章编号:()/(.):.:珠江三角洲是我国经济最发达的地区之一粤港澳大湾区已成为继纽约湾区、旧金山湾区、东京湾区后的第四大湾区 随着经济社会的快速发展和人口的高度密集资源越来越成为制约粤港澳大湾区发展的瓶颈其中以咸潮上溯导致的淡水资源供应不足问题最为突出 早在 世纪 年代廖喜庭就针对珠江三角洲河口区的咸潮活动规律进行了全面研究分析了河口区含氯度时空变化特征及人类活动的影响 年入秋以来连续强咸潮对以磨刀门水道为主要水源地的珠海和澳门供水安全造成了巨大影响国家防汛抗旱总指挥部连续两年实施“珠江压咸补淡应急调水”工程 此后的一段时期内针对珠江河口咸潮入侵研究热度持续攀升胥加仕等从上游径流量减少、取供水量增加、河口及河道地形变化、河道分流比改变以及海平面上升等方面分析了珠江三角洲咸潮活动的特点陈水森等提出了上游流量与咸潮入侵范围的经验公式为咸潮入侵快速决策提供了依据高时友等提出河口分层特点是影响咸潮上溯的重要因素欧素英等基于 年长序列观测数据以及 年和 年两次珠江三角洲大范围同步观测数据采用聚类分析方法按咸潮活动将河口类型分为潮优型和径控型刘斌等基于 年实测数据分析了磨刀门水道咸界变化特征 近年来随着计算机技术的快速发展数值模拟成为科学研究中不可或缺的工具 邹华志等采用()模拟了磨刀门水道咸潮上溯过程程香菊等同样采用 分别对疏挖磨刀门拦门沙和建设人工潜坝之后磨刀门水道的工况进行数值模拟研究了控制性工程措施对咸潮上溯的影响刘祖发等采用 模型对磨刀门水道咸潮上溯进行了研究指出分层导致水体密度差进而影响垂向环流致使盐度分布出现异常该过程对盐度的累积作用不可忽视尹小玲等研究了分层型河口咸水上溯规律王彪等建立了枯水期磨刀门水道日平均盐度与潮汐和径流量关系的统计模型目前针对珠江河口咸潮上溯的研究大多集中在径控型河口如磨刀门河口等主要研究高度分层至部分混合环境条件下咸潮入侵过程及机理 而针对潮控型河口如虎门河口及其上游东江三角洲等区域的研究相对较少 自 年秋季以来虎门河口上游左岸的东江流域遭遇连续特枯水情发生了自 年以来最严重的旱情严重威胁了深圳、东莞等城镇取用水和对港供水安全 本文以东江流域的东江南支流为重点研究区域通过数值模拟的方法对咸淡水充分混合型的河道咸潮上溯特征和动力机制进行系统研究研究成果对掌握潮控型河口咸潮上溯规律、上游取水安全以及水资源优化配置均具有重要意义 东江咸潮上溯历史及现状东江流域源于江西、广东两省接壤边陲是珠江流域三大水系之一与西、北江三角洲共同构成珠江三角洲 流域下游东江三角洲区域历来受到咸潮影响以多年月平均最大盐度.的分布界线作为平水年咸潮上溯界线以历年最大盐度.作为大旱年咸水入侵界线 按照这一标准 年平水年咸水入侵界线为碧头太平厚街赤岑朱平沙南洲黄埔狮子洋西侧化 龙石 基蕉 门 新 沙洪 奇 沥 万 顷 沙(西北)横门东大旱年份的咸水入侵界线为东莞长安虎门寨厚街莞城(南)铁涌新塘南岗白鹤潭西村水厂(硬颈海)鹤洞大石沙湾横档张家边 世纪 年代以前东江三角洲网河石龙北的东江北干流水道的咸水界在南洲至倒运海入口之间河段变动石龙南的东莞水道的咸水界未上溯越过莞城 年咸潮前锋已靠近新建的浏渥洲取水口 年 月 日东莞第二水厂连续 停水避咸其上游不到 的第三水厂日产自来水 万 取水口氯化物含量严重超过饮用水水质标准 年东江南支流咸潮上溯至莞穗路大王洲桥 年为近年来受咸潮影响较为严重的年份东江北干流咸潮上溯至莞穗路江南大桥 受 年入秋之后上游来水持续严重偏少的影响 年东江流域遭遇了 年以来最为严重的秋冬春夏连旱为 年以来咸潮上溯最严重的年份东江流域来水减少骨干水库最枯时有效蓄水率仅为 新丰江水库突破死水位以下.基本面临无水可调的局面 年 月以东江三角洲河道为水源的东莞市各水厂取水口氯化物质量浓度超标时长累计高达氯化物质量浓度最高超过 /水厂暂停取水累计总时长达 模型构建及分析区域.控制方程及计算方法采用 ()建立研究区水动力数值模型 是一个三维斜压、跨尺度环流模型模型水平方向采用非结构网格垂向采用 混合坐标(即在浅水区和深水区的上部为地形拟合坐标在深水区的下部为等平面坐标)在地形侧边界和底边界的处理上更加精确、贴合实际 在计算方法上该模式采用半隐式有限元欧拉 拉格朗日法求解 方程使计算更加稳定 模型基于静压近似及 方程近似求解三维浅水方程和盐度输运方程求解的主要变量包括自由水面高度、流体速度和盐度矢量等.计算区域及网格划分本文研究范围为东江三角洲研究区域如图 所示重点关注河段为东江南支流(黄色实线标注河段)沿东江南支流布置 个分析断面分别为沙田泗盛()、大公洲()、京港澳高速桥()以及刘屋断面()采用 建立范围覆盖珠江网河河口湾近海陆架的水动力数值模型考虑珠江流域东、西、北江上游来流与外海潮流相互作用的影响模型计算范围扩展到整个珠江三角洲为.模型上边界选取西江的高要、北江的石角、东江的博罗、流溪河老鸦岗及潭江石咀考虑到老鸦岗和石咀在潮流界内在模拟过 图 研究范围.程中将其流量边界各上延 并对上延河道做概化处理减小其对计算结果的影响模型下边界取约 等深线大陆架附近 模型网格及计算范围如图 所示模型采用全三角形的非结构网格能够比较 精 确 地 贴 合 复 杂 河 岸 边 界 模 型 网 格 共个节点 个网格单元网格单元边长为 模型在垂向上采用 坐标共分 层均分当地水深分层厚度随水深变化 模型中珠江三角洲网河地形采用 年实测大范围组合地形河口湾及近岸海区地形采用 年海图数字化成果外海陆架地形采用 全球海洋地形数据图 模型计算范围.模型由上游流量边界和外海潮位边界共同驱动 外海潮汐调和常数由中国海域潮汐预报软件 计算得到共选取了珠江口海区 个主要分潮即、和 的调和常数计算结果 模型上游边界均采用流量边界由水文站实测资料给定 模型采用斜压模式进行计算其中外海盐度边界取(取值依据为边界点处的 盐度资料的年平均值)上游开边界盐度均设置为 河道糙率主要依据以往计算经验以及率定的结果综合给定经实测资料率定后确定糙率取值范围为.模型率定与验证模型采用 年 月枯季水文观测数据进行率定其中潮位选取沙田泗盛和石龙(二)流速选取石龙南和石龙北观测数据进行率定根据率定结果(图、图)模型潮位与实测数据最大偏差为.流速总体一致 采用 年 月东江三角洲大虎、沙田泗盛、南丫、沉洲、杨公洲、乌沙 个监测位置对应的盐度数据对模型进行率定(图)采用绝对平均误差对模拟结果进行统计盐度误差在 以内满足相关技术要求 采用 年 月东江下游沙田泗盛、大盛 个位置潮位以及东莞第二水厂、第三水厂、第四水厂和万江水厂等 个水厂取水口盐度数据对模型进行验证模拟计算的潮位过程与实测过程基本一致潮位最大偏差为.采用绝对平均误差对模拟结果进行统计盐度误差在 以内满足相关技术要求因此模型可用于进一步分析计算 率定及验证位置见图()沙田泗盛()石龙(二)图 潮位率定结果.研究方法.分层系数盐淡水混合过程受径流、潮流、风、波浪、地形地貌等多种因素影响一般依据盐淡水混合特征分析其动力结构 分层系数是判别水体动力结构的重要参数其计算公式为 ()/()式中:为分层系数、分别为测点底层与表层的盐度 为测点平均盐度值一般来说分层系数 越小则混合越均匀反之分层明显 根据 理论当 .时水体处于盐度高度分层状态.输运机理采用物质输运分解公式计算物质净通量若不计流速 的 脉动项则瞬时速度可以分解为垂向平均量 和其偏差量 即 和 又可分为潮平均量之和和潮变化量即 因此 同理盐度也可以表示为 水深 可表示为 其中 为水深的潮平均量 为水深的潮变化量单宽潮周期平均输水量为/()其中式中:表示潮周期平均 为相对水深 为潮周期为平均流项 为潮汐与潮流相关项也称为斯托克斯漂移效应为垂向平均拉格朗日余流为垂向平均欧拉余流为垂向平均斯托克斯漂移单宽潮周期平均盐度输移量为/()式中:为欧拉余流输运项 为潮汐与潮流相关项即斯托克斯输运项 为潮汐与盐度的潮变化项 为潮流场与盐度的潮变化项 为流速与盐度垂向变化相关项 其中、分别为和的垂向平均值 为垂直重力净环流导致的剪切效应项 为潮周期内速度剖面和盐度剖面间的差别项 为垂向潮振动切变项 为平流输运 为潮泵效应 结果与分析.东江咸潮上溯时空变化规律.盐度随时间变化规律取模型稳定运行后的 即 年 月 日 时至 年 月 日 时进行分析潮汐变化过程为小潮中潮大潮 东江上游边界采用博罗站日均流量流量为 /平均流量为/以沙田泗盛()断面作为潮动力参考断面选取涨急、涨憩、落急、落憩 个潮汐特征时刻如图 所示(图中、点分别对应 个潮汐特征时刻)图 和 断面潮位过程.图 给出了、断面分层系数随时间变化过程 从图 可以看出各断面分层系数均较小大部分时刻分层系数在.以内、断面分层系数最大值分别为.、.、.和.说明水体总体处于盐度充分混合至部分混合状态 从分层系数随时间变化特征来看 断面分层系数最大值出现在落潮阶段的落急时刻但分层系数随大、中、小潮过程变化不明显小潮期间的分层系数和大潮期间的分层系数相差不大 断面分层系数总体较小波动不明显分层 系数的峰值同样出现在落潮阶段的落急时刻但在中潮的涨急阶段也会出现分层系数的高值 断面分层系数也相对较小基本不超过.分层系数的峰值出现在涨急时刻 断面分层系数相对较大最大值可达到.此时水体处于盐度高度分层状态分层系数的峰值大多出现在落急后接近最低潮位时刻()()()()图 各断面分层系数随时间变化过程.各断面表、底层盐度随时间变化过程如图 所示 从盐度总体变化来看 断面底层盐度为.之间表层盐度为.断面底层盐度为.表层盐度为.断面底层盐度为.表层盐度为.断面表层盐度为 .底层盐度为 .表、底层盐度变化过程与潮位变化过程基本一致两者之间约有.的时间滞后但总体仍表现为随着涨潮过程表、底层盐度值不断增大随着落潮过程表、底层盐度值不断减小 这与盐度的一般变化规律一致涨潮时外海盐度较高的海水随涨潮过程向上游入侵潮位最高时盐度较高的海水入侵到最远的距离此时各断面盐度值达到最大落潮时上游淡水随落潮过程不断向外海推移潮位最低时各断面盐度值达到最小 从小潮中潮大潮的变化过程可以看出表、底层盐度值除了随涨落潮变化与潮型具有一定的关系在本次所选取的典型潮周期过程中盐度峰值均出现在大潮的最高潮位附近.盐度随空间变化规律以 断面的沿程剖面为研究对象选取大、中、小潮过程各阶段中涨急、涨憩、落急、落憩 个潮汐特征时刻分析盐淡水的混合特征 沿程 ()()()()图 各断面盐度和潮位时间过程.()涨急 ()涨憩()落急 ()落憩图 小潮阶段沿东江南支流纵剖面盐度分布.纵断面位置如图 中黄色实线所示从虎门河口内的狮子洋至其上游东江南支流和北干流的分界点全长约 图 为小潮阶段沿东江南支流纵剖面盐度分布包含了一个潮周期内涨急、涨憩、落急、落憩 个潮汐特征时刻图中横坐标为距外海距离(向上游为正)小潮涨急时刻外海盐度开始增大最大盐度约为.表、底层盐度没有明显的分层此时.盐度等值线(换算为氯化物质量浓度约为/生活饮用水卫生标准规定生活饮用水的总氯化物质量浓度不 应 超 过/)距离 断面约 随着涨潮过程外海高盐度海水向上游推进至涨憩时刻相同位置的盐度值增大纵断面最大盐度达到约.此时.盐度等值线向上游移动明显距离 断面仅约 但盐度在垂向上分布均匀没有明显的分层 随后 断面处开始落潮至落急时刻(落急时刻和涨憩时刻相差约)河口处盐度明显降低最大盐度下降至约.但由于涨落潮时刻的差异在 断面处落潮时上游断面仍处于涨潮过程因此.盐度等值线继续向上游移动接近 断面表明在该段时间内位于 断面附近的第三水厂所取原水含氯度有超标的风险之后河口外高盐度水退却河道沿程断面盐度均明显降低.等值线下移至距离 断面下游约.的位置 至此整个小潮过程结束对比分析 和 断面潮位随时间变化过程(图)可以看出两者之间相位差约为 表明 断面处于落急时刻时上游 断面为涨憩时刻即为咸潮上溯最远距离的时刻此时 断面 的盐度可以代表受咸潮影响最显著的时刻 总体来看小潮期间盐度在垂向上混合较为均匀外海入侵的海水没有明显的盐水楔 沿纵剖面上盐度存在明显的梯度盐度值自下游向上游逐渐减小 从小潮过程各特征时刻盐度纵剖面变化来看盐度随涨落潮存在明显的周期变化涨憩时刻盐度达到最大值落憩时刻盐度为最小值中潮阶段(图)盐度垂向分布仍较为均匀从纵剖面来看仅表现出沿断面的梯度 在涨急、涨憩、落急、落憩 个时刻变化过程与小潮阶段相似总体仍表现为涨憩时刻盐度值最大河口外最高盐度值可达到约.较小潮阶段略有增大 在中潮阶段.盐度等值线上溯的距离更远特别是 断面处于涨憩时刻时(此时 断面为落急时刻).盐度等值线越过了 断面此时第 三水厂所取原水盐度将会超标大潮阶段(图)东江南支流盐度在纵剖面上变化规律与小潮和中潮阶段的变化规律相差不大盐度垂向分布均匀没有明显的盐水楔出现 下游最大盐度出现在涨憩时刻达到约.盐水上溯的距离较小潮和中潮阶段有所增加.盐度等值线在两个时刻均越过了 断面表明大潮阶段第三水厂取水受影响的时长将有所增加()涨急()涨憩()落急()落憩图 中潮阶段沿东江南支流纵剖面盐度分布.()涨急()涨憩()落急()落憩图 大潮阶段沿东江南支流盐度纵剖面分布.东江咸潮上溯输运机理研究对研究时段内大、中、小潮阶段进行盐度输运分解计算结果见表 从输运机制分解结果来看各输运项对盐度净输运的总体贡献并不一致其中欧拉余流输运项、斯托克斯输运项、潮汐与盐度的潮变化项 以及潮流场与盐度的潮变化项 对盐度输运的贡献较大其他 项对盐度输运的贡献 表 盐度输运分解计算结果单位:/:/阶段断面盐度输移量小潮.中潮.大潮.几乎为 在这些输运项中以 和 贡献为主主要反映的是径流等非周期性水动力作用的结果从大、中、小潮过程计算结果来看各断面 的方向均向海 是因流速和水深的潮偏差存在相位差而产生的输运由于涨、落憩时刻滞后于高、低潮位时刻导致水深与流速的潮偏差方向相反使得的方向向陆 和 主要是由于潮位、垂向流速和垂向盐度存在相位差而产生的输运 总体来看在大、中、小潮过程中东江南支流咸潮均以平流输运为主潮泵效应相对较弱 表明盐度的输运整体仍以径潮相互作用为主导盐度垂向梯度很小因此垂向环流产生的输运不明显 当径流动力起主导作用时净输运方向向海当潮流动力起主导作用时净输运方向向陆 结 论.东江南支流咸潮上溯过程与潮位变化过程具有相同的周期性在时间上盐度变化过程滞后于潮位过程.但总体仍呈现为涨潮期间盐度值增大落潮期间盐度值减小 大、中、小潮阶段盐度的最大值出现在涨憩时刻或略有滞后盐度的最小值出现在落憩时刻 在一个大、中、小潮周期内盐度最大值出现在大潮期间.东江南支流分层系数基本在.以内最大值不超过.总体处于盐度充分混合状态小部分时段处于缓混合状态盐度垂向总体分布均匀分层系数的峰值一般出现在涨、落急时刻.东江咸潮上溯主要是径流动力和潮流动力强弱对抗的结果由盐度和潮位相位差、潮周期不对称引起的输运也不容忽视而垂向环流等其他输运动力贡献很小参考文献:杨芳陈文龙卢陈等.粤港澳大湾区咸潮综合防控体系研究.水资源保护():.(.():.()陈文龙马志鹏袁菲等.粤港澳大湾区水安全协同调控理论框架研究.水资源保护():.(.():.()廖喜庭.珠江三角洲河口区的咸潮活动规律.人民珠江():.(.():.()./.:.胥加仕罗承平.近年来珠江三角洲咸潮活动特点及重点研究领域探讨.人民珠江():.(.():.()方神光崔丽琴.磨刀门水道枯季咸潮入侵特性及规律.水利水电科技进展():.(.():.()孔兰陈晓宏.珠江口咸潮影响因素分析.水资源保 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